光纤器件（精选5篇）
光纤器件 篇1
1 光纤器件分类及应用
光纤器件经过几十年的发展和改进, 品种越来越多。其中有些器件的发展已经相对成熟且已形成较大的市场规模, 如光纤连接器、光纤耦合器、光隔离器和光环行器等;还有一部分光纤器件虽然发展技术相对成熟并形成规模化生产, 但是其功能和性能还在不断发展和提高, 如波分复用器、光纤放大器、光开关、光纤光栅等[1]。
1.1 光纤连接器
光纤连接器是用以稳定地但非永久地连接两根或多根光纤的无源组件, 一般由两个配合插头和一个耦合管构成。主要用于实现设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接。使用连接器, 使得光通道间的可拆式连接成为可能, 为光纤提供了测试入口, 方便光系统的调试与维护。光纤连接器按照光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式等可分为以下几类, 如表1所示[2]。
光纤连接器插芯常用材料有金属棒、玻璃、塑料等, 但是以精密陶瓷芯和陶瓷管的出现为标志, 光纤连接器的主流技术已经成熟[3]。目前市场上的主流连接器品种是直径2.5mm的精密陶瓷芯和陶瓷管构成的连接器 (如FC型、SC型、ST型等) 。
1.2 光纤耦合器
光纤耦合器是用于传送和分配光信号的光纤无源器件, 是光纤系统中使用最多的光无源器件之一, 可以实现光场的分波与合波的模式耦合及光信号的方向性传输。根据光的耦合机理, 已设计出多种光纤耦合器结构, 如X型、星型、双包层、光纤光栅、光电子、布拉格光纤耦合器等。随着熔融拉锥、机械抛磨、化学腐蚀等耦合器制造工艺的出现, 光纤耦合器进入高速发展阶段, 出现了各种结构丰富、功能优良的光纤耦合器。1977年, Kawasaki等将熔融技术和拉锥技术结合, 制成了熔融双锥形耦合器, 将耦合器的附加损耗降低了一个数量级, 该技术的出现使耦合器生产工艺趋于成熟, 为光纤耦合器的规模化生产提供了技术保证[4]。
1.3 波分复用器
波分复用技术 (WDM) 是指使用多数激光在同一条光纤上同时传输多个不同波长的光波技术, 无需铺设新的光纤线路, 就可极大地提高光纤传输系统的传输容量, 并且网络可以随时升级扩容, 可以不断将现有电网络叠加到光网络上。WDM按功能和应用可以分为密集波复用器 (DWDM) 、分插复用器 (OWDM) 、粗波复用器 (CWDM) 和光纤放大器 (WDM) 等。WDM常用制造技术有薄膜滤波技术、阵列波导光栅技术、光纤光栅技术、熔融拉锥技术等[1]。其中薄膜滤波技术适合我国国情, 图2为基于多层介质薄膜的波分复用/解复用器[5]。
密集波复用器技术是WDM技术中的一项重要技术。1995年以后, 为了追求超大容量、超高速率和超长中继距离的传输, DWDM技术迅猛发展, 2000年全球DWDM的市场达9.6亿美元。DWDM技术将波长应用范围从C波段扩展到L波段和S波段, 并将波长信道间隔从100GHz缩小到50GHz、25 GHz, 甚至更小。DWDM技术极大增加了每对光纤的传输容量, 目前商用最高光纤传输容量为1.6Tb/s, 并在10Tb/s传输容量上取得突破, 朗讯贝尔实验室认为商用DWDM系统容量可达到100Tb/s。DWDM系统除了波长数和传输容量增加外, 传输距离也从600Km扩展到2000Km以上[5]。
1.4 光纤放大器
采用WDM技术可以增加每根光纤的可用带宽, 从而增加其信道数量, 以实现超大容量传输。但是信号在DWDM系统中传输时, 会存在一定的损耗, 从而导致信号能量的降低。为克服能量的损耗, 信号每传输一段距离系统就要对其进行电的“再生”, 阻碍了传输系统的扩容。光放大 (OA) 技术可以直接放大光信号的功率, 不仅节省了大量的再生中继器, 降低了系统的成本, 延伸了光传输距离, 还使传输链路“透明化”, 简化了传输系统构成。在光纤通信系统中, 光放大器的成本达到系统总成本的1/3, 是系统成本预算的主要控制内容。
光放大技术目前主要有三类:掺稀土类光放大器、半导体光放大器和非线性光放大器。它们主要用于发射机后的功率放大 (BA) 、接收机前的预放大 (PA) 和线路中的中继放大 (LA) , 用于补偿线路传输衰减、节点分配衰减、传输产生的色散、降低非线性效应等。
光放大器是光纤可用带宽的增加主要光器件, 目前应用的光放大器主要是掺铒光纤放大器 (EDFA) 。EDFA以掺铒光纤为增益介质, 利用980nm和1480nmLD作为泵浦源, 使铒离子实现粒子数反转, 信号光入射使亚稳态铒离子受激辐射, 从而产生信号放大, 放大器的工作波长在1550nm波段, 原理如图3所示[6]。
EDFA的出现, 和DWDM技术一起推动了光纤通信的迅猛发展。随着骨干网、城域网和接入网络的发展, 光放大器向高端和低端两个方向发展:高端放大器向高性能、宽带、多功能、智能化方向发展;而低端放大器则向着紧凑化、低价位、低功耗、标准化方向发展。但EDFA增益带宽通常只有35nm左右, 限制了放大系统的性能, 将Raman光放大器和掺杂光纤放大器组合起来使用, 可使增益带宽覆盖光纤的全部低损耗窗口。
1.5 光开关
DWDM和EDFA技术的成熟推动了光通信的迅猛发展, 但是光纤通信网络节点上仍采用光-电-光多次转换的模式, 因为电子交换系统的处理能力有限, 严重制约了传输速率的提高, 使网络成本较高。为解决光纤通信网络交换中的电子瓶颈, 人们提出了“全光网”的概念, 以光开关盒光、开关阵列为核心器件, 在网络节点上构成光交叉连接以实现光纤网络节点在光层次上的光交换[7]。
光开关和光开关阵列是重要的光波导器件, 要求其具有插入损耗小、串音低、开关速度快、开关功耗小、重复性好、寿命长、结构小型化等特点, 目前实用化的光开关产品有聚合物开关、光微电机械开关、液晶光开关、喷墨灯光开关、声光开关等。其中液晶开关的开关能量低, 响应速度快, 可靠性好, 在C波段和L波吸收损耗低, 在未来光通讯领域占有重要的地位[7]。
光开关在DWDM传送网中得到了广泛运用, 在大容量光纤路由备份传送网中, 一旦光纤传输链路失效, 光开关可以完成快速倒换, 重新选择路由, 避免信息丢失。在光纤链路测试中, 1×n光开关可以完成n条光纤在线或远程光纤系统性能测试、监控和故障定位等。此外, 随着光微电机械开关的发展, 下一代高速光计算机中的光开关将能够连接微处理器, 实现光电子器件的集成化发展[8]。
1.6 光纤光栅
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性, 通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯, 在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化, 从而形成永久性空间的相位光栅, 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 (透射或反射) 滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时, 满足光纤光栅布拉格 (Bragg) 条件的波长将产生反射, 其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。利用光纤光栅这一特性可构成许多性能独特的光电子器件。
光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性动态可控等特点。光纤光栅作为高性能的滤波元件, 在光纤光栅激光器、光纤放大器、密集波分复用器 (DWDM) 、光分插复用器 (OADM) 、光交叉连接器 (OXC) 和偏振模色散补偿器等全光网络关键元件中有重要的应用, 在全光网络的发展中起重要作用[9]。如利用光纤光栅的选频特性, 可以对光纤透射谱中的任一波长进行窄带输出, 从而制造各种性能的滤波器, 用于DWDM光网络中的波长选择器件。
2 结束语
光纤器件产业具有巨大的发展潜力, 对超大容量超长距离光纤传输起着至关重要的作用。光纤器件的发展和成熟必将推动光纤通信技术的大发展和光纤网络建设的新高潮。
参考文献
[1]谢同林.光纤器件及其光纤通信中的应用[J].电子元器件应用, 2003, 5 (10) :1-4.
[2]袁水平.常用光纤连接器的性能与分类[J].科技信息, 2008, (15) :412-413.
[3]马天, 黄勇, 杨金龙.光纤连接器用氧化锆陶瓷插针[J].成都大学学报 (自然科学版) , 2002, 21 (4) :13-18.
[4]林锦海, 张伟刚.光纤耦合器的理论、设计及进展[J].物理学进展, 2010, 30 (1) :37-80.
[5]胡辽林, 刘增基.光纤通信的发展现状和若干关键技术[J].电子科技, 2004, 173 (2) :3-10.
[6]刘俭辉.宽带光纤放大器及其可调谐掺饵光纤激光器的研究[D].天津:天津大学, 2003.
[7]李社, 刘辉, 张琳, 等.基于偏振特性的液晶光开关原理研究[J].黑龙江科技信息, 2010, (2) :29.
[8]隋志成, 姜希军, 吴志坚.光开关及其在全光网中的应用[J].光通信技术, 2002, 26 (3) :27-32.
[9]赵亮, 陈烨, 唐棣芳.光纤光栅特性及其在DWDM全光网络中的应用[J].光纤与电缆及其应用技术, 2005, (3) :4-7.
光纤器件 篇2
摘要： 实验研究了一种低成本的聚合物粘结剂固化封口的、光路不含胶的粗波分复用（CWDM）器件的制备技术，器件大量用于CWDM系统中，为了满足其对波分的各种技术指标要求，基于自动调芯仪的高精度结构微调，以及EMI3410固化胶的高热稳定性和低成本，讨论了工艺过程中涉及的在线监测的光路调节方法、元器件固定方法、湿气隔离手段等。采用了独到的对称填充石英纤维的技术，有效改善了器件的抗高低温冲击特性。实验中采用全玻璃全胶工艺所制备样品，其光学特性数据达到行业指标，并通过了可靠性试验。
关键词： 光纤光学； 粗波分复用； 薄膜滤波器； 波分复用技术
中图分类号： TN 929.11文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005
引言波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）是在一根光纤上同时传输不同波长的光信号，各个光信号在光纤中独立传输，从而成倍扩大光纤的通信容量[1]。波分复用分为密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）和粗波分复用（coarse wavelength division multiplexing，CWDM）两类，DWDM主要用于长途传输的高速核心骨干网，CWDM用于短途、低速率的接入网或城域网[2]。DWDM通常采用光波导列阵光栅（arrayedwaveguide grating，AWG）器件来实现[3]，波长间隔在0.8 nm以下，对光波频率的稳定性要求很高，一般采用温度调谐。常规CWDM采用薄膜干涉的原理，波长间隔是20 nm，采用非温控激光，波长漂移允许超过1 nm[45]。用于光通信网络的CWDM器件必须通过温度85 ℃、湿度85%的环境试验，常规的方法是采用金属焊接来封口[6]，制备工艺复杂，成本高。为此，本工作实验研究低成本的聚合物粘结剂固化封口的CWDM器件的制备技术[78]，器件光路不含胶，关键工艺涉及在线光路调节方法、元器件固定方法、抗高低温冲击的手段、湿气隔离手段、光学特性指标的控制等，其中在改善器件抗高低温冲击的手段方面，采用了独到的对称布置石英纤维的新方法。1器件结构和工作原理实验制备的全胶型两波长CWDM器件结构如图1所示，器件由双纤准直器、分波器和单芯准直器构成，采用玻璃管封装。双纤准直器和分波器由双芯尾纤、G透镜、薄膜滤波片和小玻璃套管4个元件组成。单纤准直器由单芯尾纤、C透镜、小玻璃套管3个元件组成。光波从公共端输入，经G透镜准直后入射到薄膜滤波片，波长λ2发生反射，会聚于反射光纤，从反射端出射；波长λ1发生透射，经C透镜后会聚于透射光纤，从透射端出射，两支波长的间隔Δλ=20 nm。为了减少同轴回波，G透镜的一端和C透镜的一端均为8°斜面。
分波器采用了全介质多层薄膜干涉滤光片，原理结构见图2，在间隔层的两侧各有一组多层高反膜系，构成一个等效的法布里-珀罗干涉结构。多层高反膜系由两种不同折射率的介质薄膜交替涂覆构成，每层薄膜的光学厚度都是 λ0/4，波长为λ0的光波的反射光在该膜系中具有干涉增强的效果。法布里-珀罗干涉的通带宽度Δλ与高反膜系的反射率成反比，而多层高反膜系的反射率与膜层数量成正比，提高膜层数量可以形成窄带滤波。用于CWDM的滤波片一般只需50～100层薄膜，而DWDM的滤波片需要200层左右的薄膜[910]。滤光片中心波长λc与光波入射角θ有λc=λ01-Csin2θ的关系，这里C是一个与滤波片有关的常数，因此组装工艺中控制入射角是一个重要环节。薄膜滤波片通常不能达到100%的透射和反射，透射光中含有部分其他波长的信号，反射光中也会掺入部分本应透射的光信号，这些掺入波长构成窜扰。CWDM要求窜扰光的损耗大于25 dB。2器件制备和特性测试
2.1双纤尾纤和单纤尾纤结构的制备双纤尾纤结构由双芯毛细管和两根光纤组成，双芯毛细管采用天谷阳公司的产品，构造如图3所示，左边是横截面图，右边是纵截面图。毛细管外径是1.8 mm，通孔截面呈两侧半圆弧扁平状，高度是127 mm，中心宽度是252 mm，插入端开成喇叭口。两根外径为125 mm的单模洁净裸光纤从喇叭口并行插入毛细管，直至末端伸出，然后利用毛细管效应从端口注入粘结剂，在70 ℃下，进行4 h热固化定型，两根光纤之间的纤芯距约为127 μm。此后末端做8°斜面研磨抛光。单纤尾纤结构的制备方法与双纤尾纤的基本相同，毛细管通孔截面为圆形。
2.2单纤准直器的制备单纤准直器由细径玻璃套管、C透镜和上述制备的单纤尾纤结构组成。外径和内径分别为2.78 mm和1.81 mm的细径玻璃套管采用天阳谷公司的产品，C透镜采用伟钊光学公司的产品，直径是1.8 mm，1 550 nm中心波长下的焦距是1.61 mm。将细径玻璃套管、C透镜和单芯尾纤结构用无水乙醇超声清洗，用氮气吹干。先将单纤尾纤结构插入细径玻璃套管内，细径玻璃套管入口端与单芯尾纤结构的插入端对齐，用ND353胶将细径玻璃套管与单纤尾纤结构粘结，在90 ℃温度下烘烤40 min，达到充分固化。然后从细径玻璃套管的另一端插入C透镜，直至C透镜斜面端与单纤尾纤结构的斜面端平行贴紧为止。光路准直调焦在1 530 nm工作波长下进行，单纤尾纤与一个调节辅助用的1×2单模光纤Y分支耦合器的单口光纤熔融对接，1×2光纤Y分支耦合器双口端的两根尾纤分别与1 530 nm光源和光功率计连接。在C透镜前部放置一个平面反射镜，由C透镜出射的1 530 nm光波经平面反射镜反射后原路返回，由光功率计监测返回光波的功率值。在此状态下，调节C透镜斜面端与单纤尾纤结构斜面端的间距，直至返回光波的功率值达到最大为止，用紫外固化胶粘结固定，并拆除辅助用光纤Y分支耦合器。
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2.3双纤准直器和分波器的一体化制备分波器采用东典光电科技公司的全介质多层薄膜干涉滤光片，透射中心波长为1 530 nm，反射中心波长为1 550 nm。双纤准直器由细径玻璃套管、G透镜和上述制备的双纤尾纤结构组成。细径玻璃套管与上述用于单纤准直器的相同，G透镜采用澳谱公司的1/4截距自聚焦透镜，直径是1.8 mm，中心波长是1 550 nm。将细径玻璃套管、G透镜和双纤尾纤结构用无水乙醇超声清洗，薄膜干涉滤光片用无水乙醇棉球擦拭干净，全部氮气吹干。在薄膜干涉滤光片一面的边缘部位点涂少量紫外固化胶后，与G透镜的平面端粘贴，紫外曝光后达到初固定的效果，然后用EMI3410胶包边粘结固化，完成G透镜与薄膜滤光片的一体化。将双纤尾纤结构插入细径玻璃套管内，细径玻璃套管入口端与双纤尾纤结构的插入端对齐，用ND353胶将细径玻璃套管与双纤尾纤结构粘结，在90 ℃温度下烘烤40 min，达到充分固化。带细径玻璃套管的双纤尾纤与带薄膜滤光片的G透镜的对接调芯采用精密调节机台来实现，双纤尾纤的公共端光纤和反射端光纤分别与光源和功率计连接，光源波长是薄膜滤光片的1 550 nm反射波长，G透镜斜面端与双纤尾纤结构的斜面端平行贴紧，由公共端光纤出射的1 550 nm光波经薄膜滤光片反射后进入反射端光纤，由光功率计监测反射光的功率值。在此状态下，微调G透镜斜面端与双纤尾纤斜面端的间距和楔角，直至反射光的功率值达到最大为止，用紫外固化胶粘结固定，然后用ND353胶包边粘结，在90 ℃温度下烘烤40 min，达到充分固化，完成入射/反射结构的一体化。
2.4器件封装作为输入端和反射端的双纤准直器/分波器一体化结构和作为出射端的单纤准直器借助粗径玻璃套管的粘结封装实现器件化，粗径玻璃套管采用天阳谷公司的产品，内径和外径分别是2.95 mm和4.2 mm。光路对接在计算机控制的精密六维步进驱动调节机台上执行，双纤准直器/分波器一体化结构用固定机台固定，单纤准直器固定在精密六维步进驱动调节机台上。双纤准直器的公共端光纤与1 530 nm光源连接，单纤准直器光纤与功率计连接。操作精密六维步进驱动调节机台微调单纤准直器与双纤准直器/分波器一体化结构之间的间距和相对方位角，在线监测直至功率计获得最大透射光功率为止，计算机记录此状态下的空间六维坐标读数。然后在计算机控制下将单纤准直器退避腾出空间，用粗径玻璃套管的两端分别套接双纤准直器/分波器一体化结构和单纤准直器，计算机根据记录读数，自动控制精密六维步进驱动调节机台缓慢复位，在线数据监测确认特性数据复原。此后，用EMI3410胶将粗径玻璃套管的内壁与细径玻璃套管的外壁粘结定位，这道工序十分重要，由于粗径玻璃套管的内径略大于细径玻璃套管的外径，径间隙内填充的胶质材料通常难以达到完全的径向对称，导致高低温环境中非对称热膨胀引起的光路位移，严重时还会出现高低温冲击试验时的玻璃套管破裂。为了解决这个问题，本工作采用了独到的工艺，在径间隙内填充的胶质材料中均匀对称地插入了石英玻璃纤维，由于石英玻璃纤维的热膨胀系数小，且均称地占据了径间隙空间，减少了胶质材料质量，耐高低温冲击的能力得到了明显提升。最后在玻璃套管的端口采用密封胶包边粘结固化的方法实现加固和湿气隔离，完成器件封装，图6是完成样品的照片。
3结论实验研究了一种低成本的聚合物粘结剂固化封口的、光路不含胶的CWDM器件的制备技术，工艺涉及在线监测的光路调节方法、元器件固定方法、湿气隔离手段等。在改善器件抗高低温冲击的手段方面，采用了独到的对称布置石英纤维的技术。器件光学特性数据达到行业指标，并通过了可靠性试验，表明本研究成果可有效用于CWDM器件的工业化制造。
参考文献：
[1]张成良.WDM技术的现状与发展趋势[J].电信科学，1998（9）：23-25.
[2]GLESK I，SOKOLOFF J P，PRUCNAL P R.Demonstration of alloptical demultiplexing of TDM data at 250 Gbit/s[J].Electron Lett，1994，30：339-341.
[3]宋军，何塞灵，石志敏.平顶型蚀刻衍射光栅波分复用器件优化设计[J].光子学报，2003，32（5）：550-553.
[4]LIAW S K，HO K P，CHI S.Multichannel add/drop and crossconnect using fiber gragg gratings and optical switches[J].Electron Lett，1998，34（16）：1601-1603.
[5]SWA R A.Using alloptical cross connects in the transport network[J].Technical Digest of OFC，2001，1：27-31.
[6]RAM J Y.WDM multiplexerdemultiplexer using fabryperot filter array：US，5835517[P].19981110.
[7]MARTIN P J，MACHEOD H A，ETTERFIELD R E.10nbeamassisted deposition of thin films[J].Applied Optics，1983，22：178-184.
[8]小泉达也，孙大雄，范滨.光通信用光学薄膜与镀膜设备[J].光学仪器，2001，23（56）：127-133.
[9]袁一方，陈桂莲，陈抱雪，等.光学薄膜技术在通信技术中的应用[J].光学仪器，2001，23（56）：110-113.
[10]TAKASHASHI H M.Tempemture stability of thinfilm narrowbandpass filcem produced by ionassisted deposition[J].Applied Optics，1995，34：667-675.
[11]刘永重.光谱分析仪在波分复用系统测试中的应用[J].中国西部科技，2004（5）：29-31.
高速光纤通信系统复用器件的探讨 篇3
1 波分复用技术 (WDM)
波分复用技术的本质是频分复用 (FDM) , 它可将不同波长的光通过光器件输送到1根光纤中传输, 在不改变一路一波长基本传输速率的情况下, 采用光纤传输多路信号, 从而提高传输数据总量。历史上最早出现的粗波分复用技术 (CWDM) , 即波长间隔>1.6 nm的复用技术, 由于其波长间隔相对较大, 所以对光收发器件的要求较低。目前, 最新的复用技术为密集波分复用技术 (DWDM) , 其波长间隔<0.8 nm, 甚至<0.4 nm。波分复用技术使用的器件主要为光收发器件、波分复用/解复用器和光插/分复用器。
1.1 波分复用的网络结构
从图1中可以看出, 单个WDM网络基本上包括光发射接收器件、波分复用、解波分复用器和光纤。
1.2 光发射接收器件
WDM光源一般采用半导体激光器, 由于波分复用技术具有特殊性, 要求光源工作波的范围大、稳定性高, 光谱线宽窄、波长在宽波段范围内可调、频率啁啾低和多波长等间隔集成。
光源按波长可分为固定波长激光器和可调波长激光器。固定波长激光器多采用多量子阱 (MQW) 分布反馈激光器 (DFB-LD) , 这种激光器在较大温度范围和高速率的情况下, 可保持动态单模特性, 同时, 还可确保低阈值特性和较高的边模抑制比 (SMSR) 。
固定波长激光器为波分复用网络中的光源, 波长不可改变, 且需要多个不同波长的激光器, 这样不仅会使生产工艺的难度增大, 还会使成本增加。如果具有一种可在一定波长范围内调谐的激光器, 则可以采用一种结构实现波分复用中光源的各种波长。可调激光器的分类较多, 一般有外腔式、多电极式、电调谐和热调谐等。
WDM对光接收器件的要求为波长响应范围大、波长可选择和串扰小等。除可采用普通的光电二极管 (PIN-PD和APD) 作为探测器外, 还可采用谐振腔增强型 (RCE) 光电二极管。
1.3 光波分复用器
波分复用器将多个波长的光信号耦合至1根光纤中传输, 并利用接收端的解波分复用器将各个波长耦合至不同的光纤中, 从而实现光信号的分离。光波分复用器也称为合波器, 常用结构为阵列波导光栅 (AWG) 。此外, 还有熔融拉锥型、介质膜型和平面型。
2 光正交频分复用技术 (O-OFDM)
OFDM应用在射频通信中, 其理论在1966年提出, 直至2005年才在光纤通信OFDM系统中实现。由此可见, OFDM理论具有很大的发展潜力。图2为光纤通信中OFDM系统与WDM中信号的对比图, 从中图2可以看出, 该理论的基本思路为将不同频率的信号调制到一起传输, 同时, 将高速数据信号分成多路低速数据信号, 并调制到同一组子载波上传输。
OFDM的基本结构如图3所示。OFDM包含有3大部分, 即OOFDM (光OFDM) 发送端、传输媒介 (光纤) 和OOFDM接收端。其中, X为频域;x为输入端的时域;Y表示接收端的频域;y为时域。OFDM系统可变换发射端IFFT, 并加载到2个正交信号合波后通过光纤传输;接收端分离出这2路信号后, 通过FFT变换到频域接收数据。在信号传输中, OFDM通过加入循环前缀CP (Cyclic Prefix) 到保护间隔提高系统性能, 可抑制ICI和ISI等现象。这是OFDM的优势所在, 但光OFDM系统也有缺点, 加入CP冗余信号后降低了运行速度, 同时, PAPR峰均比较高, 进而造成系统整体功率变大。
3 结束语
综上所述, 随着关键技术和光电元器件技术的发展, 光纤通信技术获得了飞速发展, 而复用技术的应用也有效促进了光纤通信技术的发展。
摘要：主要对高速光纤通信系统中的复用器件展开了探讨, 详细阐述了分复用和正交频分复用等技术, 并对所使用的复用器件作了系统分析研究, 以期能为相关单位的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：高速光纤通信系统,复用技术,复用器件,WDM
参考文献
[1]冯卫, 邵忆群, 罗玉娟, 等.光纤通信系统中波分复用技术的应用[J].电子技术与软件工程, 2013 (19) .
光纤器件 篇4
近年来, 一些集成传感器和传感器系统都是由光学传感器[1,2,3]、碳纳米管传感器[4]、电化学传感器[5]和表面等离子体传感器[6]等构成的。在这些传感器中, 聚合物光学微环谐振器具有灵敏度高、封装小和适合光子集成等优点, 从而受到较多关注[7]。在生物传感应用中, 微环谐振器具有巨大的潜在优势, 如同在FBG (光纤布拉格光栅) 传感器阵列中一样, 它也可以实现多波长复用。制作聚合物微环谐振器容易实现微影图案化, 一般不需要复杂的技术手段, 其定向耦合器压印工艺中亚微米间隙的难点也正在解决中[8]。通过监测谐振波长, 可以把应变、温度、包层材料和注入载流子等影响有效折射率或微环谐振腔长度的外部参数检测出来。传感信号一般通过测量波长位移来解调, 但是笨重、昂贵的可调激光器或光谱仪等不适合现场使用。本文提出一种基于CFG (啁啾光纤光栅) 和波长可调的LPG (长周期光栅) 滤波器的新型解调技术, 通过使用直传输信号和微环传感器的下载端口信号, 在每个通道的带宽2.4 nm范围内, 可以得到较高的灵敏度。这是微环传感器的全光纤化解调方案, 可以工作在准静态模式或动态模式, 易实现高速解调。
1 聚合物微环传感器原理与制作
基本的微环谐振器如图1所示, 包含作为谐振腔的环形波导和与它相耦合的两个直波导, 见图1 (a) 。光从Input端口入射, 当传输至第一个耦合区时, 部分光耦合至环中, 在环中传输半周后到达另一个耦合区, 再次发生耦合, 至Drop端口输出。当谐振环的光程是2π的整数倍时, 在第1耦合区发生光的相干加强, 此波长向环内耦合功率最大, 从而使第2耦合区进入Drop端口的光功率也最大, 产生谐振。与此相反, 若某波长在环内光程是π的奇数倍, 则耦合入环的功率最小。谐振波长和FSR (自由光谱范围) 分别为
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式中, λc为谐振波长;neff为导模的有效折射率;L为微环周长;m为一个整数。微环器件在直传输端口和下载端口的特征光谱分别如图1 (b) 和1 (c) 所示。根据式 (1) , 当外部条件改变neff和L时, 将导致λc的变化, 如式 (3) 所示:
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微环谐振器能够实用化的关键是提高其Q值, 当弯曲损耗和界面散射损耗小到一定程度时, Q值可达104或更高, 从而具有半强宽很窄的谐振波长。微环谐振器用于折射率传感时, 包层折射率直接导致芯的有效折射率变化, 谐振波长的微小移动即表征测量介质折射率的变化。由于谐振波长线宽很窄, 所以对折射率探测具有很高的灵敏度, 甚至可测到介质分子数量的变化, 因此在生物传感上有巨大的优势。
使用纳米压印技术制作微环传感器[9], 设计的PS (聚苯乙烯) 微环谐振器具有1.85 μm×2.3 μm的波导截面, 光波长为1 550 nm时为单模传播。为了获得高灵敏度, 谐振器应具有高Q因子, 即应降低其3种损耗:弯曲损耗、底基渗漏损耗和粗糙表面散射所致的损耗。直波导和微环之间的耦合系数与两者的间隙指数关联, 微环和直波导间的耦合间隙是几百纳米。其中一个微环的共振波长约为1 554 nm, FSR约为7.5 nm, 半强宽约为0.5 nm, 实际测的Q值可以用谐振波长除以峰的半强宽来求得, 它的Q值近似为3 000。典型的TM偏振模式光谱如图2所示。
2 解调系统设计
将微环器件安装在一块200 μm厚的板上, 用带有锥形尖端的单模光纤把光耦合入波导。为了检测波长位移并补偿光强度漂移, 用单模光纤和多模光纤分别连接至下载端口和直传输端口, 用紫外光固化环氧树脂固定, 并尽量减少每个连接端面的反射损耗。把准备好的微环传感器安装在悬臂梁表面, 同时安装另一个压电传感器。宽带光源BBS入射微环产生TM模式, 下载端口的信号通过3 dB耦合器输到一个CFG, 解调系统示意图如图3所示。
注:PD表示光电探测器
由于CFG具有与微环传感器波长位移范围相匹配的反射光谱, 只有波长带宽内的信号反射到LPG进行边缘滤波。由式 (4) 计算可知, 下载端口的传感信号具有高斯波形;由式 (5) 计算可知, CFG的反射光谱是矩形。
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式中, Ir为微环下载端口传感信号的峰值强度;λr和Δλr分别为峰值波长和峰的半强宽 (光强3 dB的处带宽) ;Rs和Δλs分别为CFG的反射率和反射波长范围。PD2检测的光强由式 (4) 和LPG波长滤波函数对波长积分决定。将LPG浸入水或其他液体中, 调节它的滤波区间, 这样可以获得高线性的滤波。波长调谐的LPG传输光谱如图4所示。调节峰值波长为1 554 nm的微环传感器, 使该峰值位于LPG的线性范围的中间点, 同时匹配CFG的频谱。在1 554 nm±1.2 nm的线性滤波范围内, 光透过率从31%改变到76%。当波长从1 552.8 nm变化到1 555.2 nm时, PD2的输出功率则从5.25 nW变到13.05 nW。通过补偿入射光强漂移, PD2检测达到0.1 nW的精度, 在线性范围内实现了31 pm的波长分辨率。
设计的聚合物微环双传感器的解调系统如图5所示。另一个微环谐振波长约为1 559 nm。为了查询微环阵列上的每个传感器, 用CFG来反射第一微环传感器波段范围的传感信号, 再进行边沿滤波, 然后通过PD1检测。透过CFG的光谱是复合的, 其中包含第2个微环传感信号。用一个波长调谐的LPG2对第2个微环传感器波段范围的信号进行边沿滤波, PD2检测其光功率。该双通道解调实现了波长带宽2.4 nm线性范围内31 pm的灵敏度。
3 结束语
本文提出了一种应用于聚合物微环传感器和微环传感器阵列的信号解调方法, 利用CFG和波长可调LPG, 该方法能达到31 pm的高灵敏度。系统采用全光纤器件, 因此可以工作在准静态模式或动态模式, 从而实现高速解调。实验结果表明, 聚合物微环谐振器可以用作现场使用的传感器网络, 如果用三角形FBG替代LPG, 系统的线性度会更好。
参考文献
[1]Chao S Y, Dobbs G, Jokerst N M, et al.Optical Mi-croring Resonator Sensors with Selective MembraneSurface Customization[A].Proceeding of Conferenceon Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2007[C].Bal-timore, Maryland:OSA, 2007.CWE4.
[2]Kiyat I, Kocabas C, Aydinli A.Integrated microringresonator displacement sensor for scanning probe mi-croscopies[J].J Micromech Microeng, 2004, 14:374-381.
[3]Dubendorfer J, Kunz R E, Jobet G, et al.Integratedoptical pH sensor using replicated chirped grating cou-pler sensor chips[J].Sens Actuators B Chem, 1998, 50:210-219.
[4] Ghosh S, Sood A K, Kumar N. Carbon Nanotube Flow Sensors [J]. Science, 2003, 299:1042-1044.
[5]Huque M A, HaideM R, Zhang M, et al.A LowPower, Low Voltage Current Read-Out Circuit for Im-plantable Electro-Chemical Sensors[A].Proceeding ofthe IEEE Sensors 2007[C].Atlanta, GA:IEEE SEN-SORS Council, 2007.39-40.
[6]Adam P, Dostalek J, Homola J.Multiple surface plas-mon spectroscopy for study of biomolecular systems[J].Sens Actuators B Chem, 2006, 113:774-781.
[7]Bhola B, Song H C, Tazawa H, et al.Polymer micro-resonator strain sensors[J].IEEE Photon TechnolLett, 2005, 17:867-869.
[8]Sun Haishan, Chen Antao, Dalton Larry R.A reflec-tive microring notch filter and sensor[J].OPTICS EX-PRESS, 2009, 17:10731-10737.
光纤器件 篇5
2013年11月3日, 国家科学技术部在武汉邮电科学研究院组织召开会议, 对光纤接入 (FTTx) 产业技术创新战略联盟 (武汉邮电科学研究院) 组织完成的国家科技支撑计划项目《低成本光纤接入网关键光电子器件及装备研制》进行验收。来自科技部相关部门的领导以及国内11位光通信领域知名专家共同对项目进行了审议。
该项目是在光纤接入产业联盟成功进入科技部首批试点联盟的基础上通过进一步筛选获得的国家项目支持, 也是科技部首次尝试以联盟作为国家科技支撑计划项目的组织单位。光迅科技、烽火通信、长飞公司等课题承担单位近百名科技人员经过两年半的刻苦攻关, 全面完成了包括FTTx关键光电子器件、新型光纤光缆及关键线路外场设施相关的九个研究方向的项目任务。专家组成员一致认为, 项目产品部分指标优于当前国际同类产品, 通过自主研发替代进口、设计新工艺、应用新材料、研究新方案, 超额完成了项目合同对低成本的指标要求, 为宽带中国战略的实施尤其是宽带FTTx技术奠定了发展基础。按可比价格计算, 项目成功实现了多种FTTx关键光电子器件、光纤、光缆、外场设施等综合成本降低20%~30%以上的目标。项目累计申请专利超过60件, 其中, 国外专利3件、国内发明专利51件;主导制订国际标准1项和国家、行业技术标准10余项。项目开发的系列产品在国内外市场得到广泛应用, 经济和社会效益显著, 项目产品在研究期内累计新增销售超过10亿元, 促进了具有规模制备能力的有源光电子核心芯片与器件、光纤光缆等产业化基地的形成。